干旱缺鉀對油菜內(nèi)源激素、光合作用和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2022-07-08 09:26朱波徐綺雯馬淑敏劉幫艷段美春王龍昌
中國油料作物學(xué)報(bào) 2022年3期
朱波，徐綺雯，馬淑敏，劉幫艷，段美春，王龍昌*
（1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶，400716；2.重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，重慶，401331）
鉀（K）是植物組織中含量最豐富的陽離子，約占植物干重的2%～10%[1,2]。鉀廣泛參與植物生理過程，如酶的激活、滲透調(diào)節(jié)、離子平衡、物質(zhì)運(yùn)輸、蛋白質(zhì)合成等，并在植物應(yīng)對干旱等非生物脅迫中具有重要作用[3]。許多研究表明植物遭受干旱脅迫時(shí)對鉀的需求增加[4]，增施鉀肥可緩解干旱對植物生長影響[5]。增施鉀肥緩解干旱的主要途徑包括：提升滲透調(diào)節(jié)能力并維持細(xì)胞膨壓[6]；提高葉片氣孔開閉靈敏度[7]；減少活性氧的積累[4]；降低細(xì)胞膜透水性，提高水分利用效率[8,9]；提高木質(zhì)部導(dǎo)水能力并維持植株體內(nèi)水分長距離運(yùn)輸[10]。植物激素是植物體內(nèi)廣泛存在的調(diào)節(jié)自身生理代謝的活性物質(zhì),主要包括生長激素（IAA）、細(xì)胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA）、脫落酸（ABA）、乙烯、油菜素內(nèi)酯（BR）等，在植物響應(yīng)逆境脅迫中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[11]。干旱脅迫下，通常植物體內(nèi)IAA、GA 和CTK 含量降低，而ABA 和乙烯含量升高，從而調(diào)控生理生化過程以及同化產(chǎn)物的分配以適應(yīng)干旱[12]。ABA是植物響應(yīng)干旱脅迫最重要的信號調(diào)節(jié)物質(zhì)，干旱脅迫下植物合成大量ABA 調(diào)節(jié)葉片氣孔關(guān)閉以減少水分散失[12]，同時(shí)ABA 的大量合成會(huì)加劇葉片發(fā)育性衰老和應(yīng)激性衰老[13]。Hosseini 等[14]研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下大麥通過維持葉片高鉀濃度可促進(jìn)ABA 的降解，從而延緩葉片衰老。涂冰潔等[15]發(fā)現(xiàn)缺鉀會(huì)導(dǎo)致大豆葉片中ABA 含量顯著增加。IAA 和CTK 可分別促進(jìn)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)分裂，從而促進(jìn)植物生長[16]，干旱脅迫下增施鉀肥可促進(jìn)甘薯塊根和葉片IAA、GA 和CTK 含量顯著增加，進(jìn)而促進(jìn)塊根淀粉的積累[17]。姜仲禹等[18]研究發(fā)現(xiàn)，通過增施鉀肥可降低甘薯根系IAA 氧化酶的活性，從而促進(jìn)IAA 含量的提高。光合作用是植物生長和干物質(zhì)積累的主要來源，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致葉片氣孔關(guān)閉，RuBP 羧化酶等光合酶活性降低，并抑制光化學(xué)反應(yīng)[12]。植物光合機(jī)構(gòu)由光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）構(gòu)成，其中PSII 被認(rèn)為是脅迫條件下發(fā)生光抑制的原初部位，與之相比，PSI相對穩(wěn)定[19]。前人研究發(fā)現(xiàn)，逆境脅迫下提高作物組織內(nèi)鉀素水平可維持光化學(xué)電子傳遞[4]，顯著提高油菜葉片PSII 的活性[20]，然而缺鉀會(huì)引起PSII 供體側(cè)受到抑制并導(dǎo)致PSII 光抑制[21]。油菜（Brɑssicɑ nɑpusL.）是我國最主要的油料作物，也是重要的飼料蛋白來源，2019 年油菜的播種面積達(dá)到658.3 萬公頃，僅次于水稻、玉米、小麥和大豆（國家統(tǒng)計(jì)局）。由于季節(jié)性干旱頻發(fā)，嚴(yán)重制約我國油菜生產(chǎn)[22]。盡管鉀在作物抗旱機(jī)理上已有探究，但鉀對油菜抗旱機(jī)理尤其在激素和葉綠素?zé)晒馑缴系难芯枯^少。本研究通過PEG6000 模擬干旱試驗(yàn)，重點(diǎn)探討干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜激素調(diào)控、光合作用、葉綠素?zé)晒獾挠绊?，旨在揭示鉀在油菜抗旱生理上的作用，為油菜抗旱栽培提供理論依?jù)。
1 材料與方法
1.1 材料
抗旱品種油研57 和干旱敏感品種川油36[23]均為甘藍(lán)型油菜品種。試驗(yàn)于西南大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場進(jìn)行。
1.2 方法
將油菜種子置于石英砂中育苗，10 d 后將長勢一致的苗移至直徑120 mm、高110 mm 連蓋塑料黑桶中進(jìn)行水培，每個(gè)蓋子上有5 個(gè)孔，每孔移苗1株，用海綿固定，并置于避雨溫室中。采用1/2 Hogland 營養(yǎng)液，含有1.0 mmol/L K2SO4，2.5 mmol/L Ca(NO3)2，0.25 mmol/L Ca(H2PO4)2，1.0 mmol/L MgSO4，20μmol/L FeSO4，0.3μmol/L CuSO4，0.8μmol/L ZnSO4，5μmol/L MnCl，50μmol/L H3BO3，0.1μmol/L H2MoO4，用H2SO4或Ca(OH)2將pH 調(diào)至6.0，營養(yǎng)液每5 d 更換一次。培養(yǎng)20 d 后，設(shè)置缺鉀（0.01 mmol/L K2SO4）和正常鉀肥（1.0 mmol/L K2SO4）兩個(gè)梯度（除K 外，其它營養(yǎng)元素不變），并添加7%質(zhì)量濃度PEG6000 模擬干旱，分別記為LK 和NK 處理，另設(shè)置1.0 mmol/L K2SO4營養(yǎng)液，不添加PEG6000做對照，記為CK。每個(gè)處理重復(fù)4 次。處理8 d 后，取從上往下第二片完全展開葉裝在自封袋中，迅速置于液氮中猝滅并于-80℃冰箱保存，用于激素、葉綠素、光合酶和MDA含量的測定。
1.3 測定指標(biāo)及方法
1.3.1 生物量 干旱處理8 d 后，將油菜整株取出，2 株為一個(gè)重復(fù)，用去離子水洗凈置于紙袋中，120℃殺青30 min，80℃烘干至恒重。
1.3.2 內(nèi)源激素和光合酶 IAA、CTK、GA、ABA、RuBP 羧化酶和PEPC 酶的測定采用酶聯(lián)免疫法（ELISA），準(zhǔn)確稱取0.2 g 葉片，加入1.6 mL 0.1 mol/L pH7.4 的磷酸緩沖液磨樣至勻漿，8000×g離心10 min，取上清液用于激素和酶活性的測定。測定試劑盒購自江蘇博深生物科技有限公司，測定方法參照使用說明[24]。
1.3.3 葉綠素 準(zhǔn)確稱取0.05 g 葉片于2 mL 離心管中，加入丙酮∶乙醇∶水（4.5∶4.5∶1）浸提液1.6 mL，60 Hz 磨樣2 min，8000×g離心10 min，取上清液在645 nm 和663 nm 下測定吸光度值。葉綠素含量= (20.29A645+8.05A663)×V/m×1000，其中V為浸提液體積，m為樣品重量。
1.3.4 光合作用 干旱處理第7 d，在上午9:00-11:00用LI6400便攜式光合儀器（Li-Cor公司，美國）測定油菜心葉往下第二片完全展開葉凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。測定參數(shù)設(shè)定為：紅藍(lán)光源，光強(qiáng)為1000μmol·m-2·s-1，CO2濃度為430μmol/mol，流速為500μmol/s，樣品室溫度為28℃。
1.3.5 葉綠素?zé)晒鈪?shù)及P700 采用Dual-PAM-100 熒光儀（Walz，Germany），同步測定油菜心葉往下第二片完全展開葉光系統(tǒng)II（PSII）和光系統(tǒng)I（PSI）。參考肖飛等[25]方法并略有改動(dòng)，測定前暗適應(yīng)0.5 h，測定中避免其他光源的干擾，首先打開測量光測定最小熒光產(chǎn)量（Fo），然后施加飽和脈沖光得到最大熒光產(chǎn)量（Fm）和最大P700 信號（Pm），隨后打開光化光（Al），強(qiáng)度為1030μmol photons·m-2·s-1，待熒光信號穩(wěn)定后（4～5 min），打開飽和脈沖光（SP），強(qiáng)度為20 000 μmol photons·m-2·s-1，時(shí)間為300 ms，測定任意時(shí)間的實(shí)際熒光產(chǎn)量（Fs），過30 s關(guān)掉作用光（AL），測定光適應(yīng)狀態(tài)下的最大熒光產(chǎn)量（Fm′）和光下最大P700 信號（Pm′）。按Dual-PAM-100 使用說明，分析PSII最大光有效光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(II)]、調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NPQ)]、非調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NO)]和PSI 有效光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(I)]、PSI 供體側(cè)限制[Y(ND)]、PSI 受體側(cè)限制[Y(NA)]等，計(jì)算公式為：
Y(II)=(Fm′-Fs)/Fm′
Y(NO)=Fs/Fm
Y(NPQ)=1-Y(II)-Y(NO)
Y(NA)=(Pm-Pm′)/Pm
Y(ND)=1-P700red
Y(I)=1-Y(ND)-Y(NA)
1.4 統(tǒng)計(jì)分析
采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖，在SAS V8 中采用最小顯著差異法（LSD，P＜0.05）對不同水分和鉀肥處理進(jìn)行多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜生長和內(nèi)源激素的影響
由圖1 可知，經(jīng)過8 d 的干旱處理，油菜生長受到嚴(yán)重抑制，葉片表現(xiàn)出明顯的萎蔫癥狀。與NK處理相比，LK處理下，葉片萎蔫癥狀更嚴(yán)重，且油菜子葉黃化、早衰加劇。油研57 受干旱脅迫影響較小，且子葉黃化、早衰癥狀較川油36更輕。與CK 相比，LK和NK處理下川油36和油研57的干物質(zhì)積累大幅降低（表1）。不同鉀肥水平對干旱脅迫下油菜生物量影響顯著（P＜0.05），與NK 處理相比，LK 處理下川油36 和油研57 的干物重分別減少了16.5%和14.4%。干旱脅迫下油菜品種間干物質(zhì)積累間表現(xiàn)出較大差異，在NK 和LK處理?xiàng)l件下油研57的干物重分別較川油36 高出17.3%和20.0%。干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜內(nèi)源激素影響顯著。干旱脅迫下，川油36 和油研57 葉片ABA 含量均升高，表現(xiàn)出LK＞NK＞CK 的趨勢，且LK 與NK 和CK差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。川油36 葉片中GA 含量呈現(xiàn)LK＞NK＞CK 的趨勢，且LK 處理下GA 含量顯著高于CK。與CK 相比，油研57 葉片中GA 含量在LK 和NK 處理下均升高，但各處理間差異不顯著。川油36葉片中GA含量在LK和NK處理下均高于油研57，且在LK 處理下差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。干旱脅迫下，兩個(gè)品種葉片中IAA含量均顯著降低。與NK 處理相比，兩個(gè)品種生長素含量LK處理下均降低，且在川油36 中降幅最大，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。此外，LK 處理下，油研57 的生長素含量顯著高于川油36。與此相似的是，川油36葉片中CTK 含量呈現(xiàn)CK＞NK＞LK 的趨勢，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。NK 處理下油研57 葉片CTK 含量與CK 相比差異不顯著，然而LK 處理下細(xì)胞CTK 含量顯著降低。值得注意的是，油研57 在NK 和LK 處理下CTK 含量均顯著高于川油36。不同鉀肥水平對BR 含量影響顯著，兩個(gè)品種葉片中BR 含量在不同水分和鉀肥水平下呈現(xiàn)出CK＞NK＞LK 的趨勢，且在油研57 中LK 與NK 間的差異達(dá)顯著水平。油研57 BR含量在LK和NK處理下均高于川油36。
圖1 不同水分和鉀肥條件下油菜生長的表型差異Fig.1 Phenotypic difference of rapeseed under different water and potassium level
表1 干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜生長和內(nèi)源激素的影響Table 1 Effect of different potassium level on rapeseed growth and hormone under drought stress
2.2 干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜光合特征的影響
2.2.1 對光合作用的影響 由圖2A可知，與CK相比，川油36的凈光合速率在LK 處理下顯著降低，在NK 處理下差異不顯著。干旱脅迫下，油研57 的凈光合速率顯著降低，且在NK 處理下顯著高于LK 處理。在NK 處理下，川油36 凈光合速率顯著高于油研57，然而，在LK 處理下，油研57 凈光合速率顯著高于川油36。干旱脅迫下兩個(gè)品種葉片氣孔導(dǎo)度均顯著降低，且LK 處理下氣孔導(dǎo)度顯著低于NK 處理。LK 處理下，油研57 葉片氣孔導(dǎo)度顯著高于川油36（圖2B）。葉片的胞間CO2濃度呈現(xiàn)CK＞NK＞LK 的趨勢，在川油36 中LK 處理和NK 處理差異達(dá)顯著水平（圖2C）。川油36葉片蒸騰速率呈現(xiàn)NK＞CK＞LK 的趨勢，且各處理間差異顯著。干旱脅迫下，油研57 蒸騰速率顯著降低，LK 處理和NK 處理間差異不顯著（圖2D）。
圖2 干旱脅迫下不同鉀肥水平對光合作用的影響Fig.2 Effects of different potassium level on photosynthesis under drought stress
2.2.2 對葉片MDA 含量、葉綠素含量及光合酶活性的影響 干旱脅迫下川油36 葉片中MDA 含量大幅增加，且在LK 處理下顯著高于NK 處理。油研57葉片MDA 含量在LK 和NK 處理下差異不顯著，且均低于川油36，在LK 處理?xiàng)l件下差異達(dá)顯著水平（圖3A）。干旱脅迫導(dǎo)致油菜葉綠素含量顯著降低，在川油36 葉綠素含量呈現(xiàn)CK＞NK＞LK 的趨勢，各處理間差異顯著（P＜0.05）。油研57 葉綠素含量受干旱脅迫的影響較小，在LK 和NK 處理下差異不顯著，且油研57 各處理?xiàng)l件下葉綠素含量均顯著高于川油36（圖3B）。RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性在不同鉀肥水平和品種間表現(xiàn)出較大的差異。干旱脅迫下，川油36 葉片RuBP 羧化酶活性顯著降低，在LK 處理下顯著高于NK 處理。與之相反的是，川油36 在NK 處理下PEPC 酶活性最高，顯著高于CK 和LK 處理。油研57 葉片RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性主要受鉀素水平的影響。與CK 相比，油研57 的RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性在NK 處理下差異不顯著。然而，與NK 處理相比，LK 處理下油研57 葉片RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性顯著降低（圖3C、D）。
圖3 干旱脅迫下不同鉀肥水平對MDA含量（A）、葉綠素含量（B）、RuBP羧化酶（C）和PEPC酶（D）的影響Fig.3 Effect of different water and potassium level on content of MDA (A),Chlorophyll(B),enzyme activity of RuBP carboxylase(C)and PEPC(D)
2.3 干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>
2.3.1 對PSII 的影響 由圖4A 可知，干旱脅迫下PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）顯著降低，且油研57 的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量顯著高于川油36。不同鉀肥水平對最大光化學(xué)量子產(chǎn)量影響顯著（P＜0.05），與NK 相比，川油36 的Fv/Fm 在LK 處理下顯著降低。干旱脅迫導(dǎo)致光下最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv′/Fm′）顯著降低，兩個(gè)品種Fv′/Fm′在LK 處理下均高于NK 處理，在川油36 中差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。干旱脅迫導(dǎo)致有效光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(II)]顯著降低，LK 和NK 處理間差異不顯著。川油57 的Y(II)在LK 和NK 處理上均高于川油36，且在NK 處理下差異達(dá)顯著水平（圖4C）。與此相似的是，干旱脅迫導(dǎo)致PSII 電子傳遞速率顯著降低，且不同鉀肥水平間差異不顯著。油研57 的PSII 電子傳遞速率[ETR(II)]在LK 和NK 處理上均高于川油36，且在NK處理下差異達(dá)顯著水平（圖4D）。LK 處理下，兩個(gè)品種非調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NO)]均顯著高于NK 處理。與之相反的是，干旱脅迫下調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NPQ)]均升高，且NK 處理下兩個(gè)品種的Y(NPQ)均高于LK 處理，在川油36 中差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。
圖4 干旱脅迫下不同鉀肥水平對PSII的影響Fig.4 Effects of different potassium level on PSII under drought stress
2.3.2 對PSI 的影響 由圖5 可知，干旱脅迫下P700 最大變化值（Pm）顯著降低。川油36 的Pm 在LK 處理下顯著高于NK 處理，與之相反的是油研57的Pm 在LK 處理下顯著低于NK 處理。此外，油研57 的Pm 在NK 處理下顯著高于川油36，而在LK 處理下二者差異不顯著。光下P700最大變化值（Pm′）在干旱脅迫下顯著降低，NK 處理下兩個(gè)品種Pm′均顯著高于LK 處理，且在油研57中差異達(dá)顯著水平。PSI 系統(tǒng)光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(I)]在干旱脅迫下顯著降低，呈現(xiàn)NK＞LK 的趨勢。油研57 的Y(I)在LK 和NK 處理下均顯著高于川油36。PSI 電子傳遞速率[ETR(I)]在干旱脅迫下顯著降低，呈現(xiàn)NK＞LK 的趨勢。油研57 的ETR(I)在LK 和NK 處理下均顯著高于川油36。干旱脅迫導(dǎo)致PSI供體側(cè)限制[Y(ND)]顯著升高，且表現(xiàn)出NK＞LK 的趨勢。川油36 的Y(ND)升高幅度較大，在LK 和NK 處理下均顯著高于油研57。LK 處理下，兩個(gè)品種PSI 系統(tǒng)受體側(cè)限制[Y(NA)]均顯著高于NK 處理，與CK 相比，Y(NA)在LK處理下增加，而在NK處理下顯著降低。
圖5 干旱脅迫下不同鉀肥水平對PSI的影響Fig.5 Effects of different potassium level on PSI
3 討論
3.1 干旱缺鉀降低油菜生長促進(jìn)類激素水平
PEG6000 模擬干旱脅迫下，油菜生長受到嚴(yán)重抑制，不同鉀肥水平對油菜生長的影響顯著，兩個(gè)油菜品種干物重在LK 處理下較NK 處理降低15.5%，表明干旱缺鉀條件下油菜生長受到進(jìn)一步抑制。干旱脅迫下兩個(gè)品種生長表現(xiàn)出顯著差異，抗旱品種油研57 在NK 和LK 處理下的生物量較川油36 分別高17.3%和20.0%。逆境脅迫下植物通過內(nèi)源激素調(diào)節(jié)生長、發(fā)育、養(yǎng)分分配和源庫轉(zhuǎn)換等以適應(yīng)環(huán)境變化[26]，通?？梢詫⒅参锛に胤譃樯L促進(jìn)類激素（包含IAA、GA、CTK 和BR）和逆境應(yīng)激應(yīng)激激素（ABA、茉莉酸、水楊酸和乙烯）兩大類[27]。ABA是植物響應(yīng)干旱等逆境脅迫重要的信號調(diào)節(jié)物質(zhì)[12]，干旱脅迫下大量ABA 的合成不僅會(huì)引起葉片發(fā)育性衰老而且會(huì)引起應(yīng)激性衰老[13]。Hosseini等[14]研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下大麥通過維持葉片高鉀濃度可促進(jìn)ABA的降解并減少ABA積累，從而延緩葉片衰老。涂冰潔等[15]也發(fā)現(xiàn)缺鉀條件下大豆葉片中ABA 含量顯著增加。本研究中，干旱脅迫下兩個(gè)油菜品種葉片中ABA 含量均增加，且在LK 處理下顯著高于NK 處理，表明缺鉀條件下，干旱誘導(dǎo)合成更多ABA 并加劇油菜葉片衰老。Jogawat 等[28]認(rèn)為GA 對植物抗旱性具有負(fù)面作用。Nir等[29]發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下抑制GA 的活性可減少番茄葉片氣孔數(shù)量和孔隙從而減少水分散失，Omena-Garcia 等[30]研究發(fā)現(xiàn)缺少GA 的植株通過大量合成氨基酸參與滲透調(diào)節(jié)并促進(jìn)代謝物向根系分配提升組織保水能力。GA 的代謝調(diào)控還與鉀相關(guān)，姜仲禹等[18]研究發(fā)現(xiàn)缺鉀條件下甘薯根系赤霉素含量顯著增加。本研究川油36 葉片中GA 含量呈LK＞NK＞CK 的趨勢，且LK 和CK 間差異達(dá)顯著水平，表明干旱缺鉀條件下油菜對GA 的代謝調(diào)節(jié)能力降低。IAA 是生長促進(jìn)物質(zhì)，在植物細(xì)胞分裂伸長以及光合同化物運(yùn)輸與積累等方面起著重要作用，干旱等逆境脅迫導(dǎo)致IAA 含量下降，增施鉀肥可促進(jìn)IAA 的合成[31]。本研究中，干旱脅迫導(dǎo)致油菜葉片IAA含量顯著降低，與正常鉀水平相比，缺鉀條件下IAA含量顯著降低，且干旱敏感品種川油36 的IAA 含量下降幅度最大，表明干旱脅迫下，IAA 合成減少導(dǎo)致油菜生長受到抑制，缺鉀會(huì)進(jìn)一步降低IAA激素的合成，影響油菜生長。CTK 具有促進(jìn)細(xì)胞生長，延緩蛋白質(zhì)和葉綠素降解及延遲衰老的作用，缺鉀條件下細(xì)胞分裂素的含量會(huì)顯著降低[32]。干旱脅迫下細(xì)胞分裂素含量顯著降低，與正常鉀肥相比，缺鉀條件下兩個(gè)品種CTK 含量均顯著降低，表明干旱脅迫下，尤其因缺鉀引起細(xì)胞分裂素含量降低，導(dǎo)致蛋白質(zhì)和葉綠素降解加劇，葉片早衰。此外，油研57 細(xì)胞分裂素含量在各處理均顯著高于川油36，表明抗旱品種油研57 具有較強(qiáng)的抗衰老能力。油菜素內(nèi)酯是公認(rèn)的第六大類植物激素，廣泛參與蛋白質(zhì)的合成和提高酶活性等生理過程，可增強(qiáng)植物對生物和非生物脅迫的抵抗能力[33]。本研究中，干旱脅迫導(dǎo)致油菜素內(nèi)酯含量顯著降低，且在缺鉀條件下下降幅度更加明顯。表明，干旱脅迫下缺鉀會(huì)導(dǎo)致油菜素內(nèi)酯的合成受阻進(jìn)而影響各生理過程，降低油菜抗旱性。綜上，干旱脅迫導(dǎo)致油菜ABA 含量顯著增加，而促進(jìn)生長類激素IAA、CTK 和BR 含量顯著降低，缺鉀條件下會(huì)激發(fā)ABA 的合成，并進(jìn)一步限制IAA、CTK和BR 的合成?？购灯贩N油研57在干旱條件下保持了較高的IAA、CTK、BR，在激素水平上保持較強(qiáng)的調(diào)控能力。
3.2 干旱缺鉀降低油菜葉片光合作用能力
前人的研究表明，干旱導(dǎo)致作物光合作用降低，充足的鉀肥供應(yīng)可促進(jìn)作物在干旱脅迫下凈光合速率的提高[34,35]。本研究中，干旱脅迫導(dǎo)致油菜凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均顯著降低。與NK 處理相比，兩個(gè)品種油菜在LK 處理下凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均大幅降低，表明充足的鉀肥供應(yīng)可減少干旱脅迫對油菜光合作用的影響。導(dǎo)致光合作用降低的因子分為氣孔限制和非氣孔限制兩方面因素，非氣孔限制包括葉綠體結(jié)構(gòu)破壞、葉綠素含量降低、光系統(tǒng)損傷、RuBP 羧化酶等光合酶活性降低以及活性氧對代謝功能的破壞等[36]。本試驗(yàn)中，盡管氣孔導(dǎo)度在干旱缺鉀條件下急劇下降，然而，葉片胞間CO2濃度在各處理間變化較小，表明凈光合速率的降低并非由氣孔因素引起，而是由非氣孔限制所致。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致活性氧系統(tǒng)（ROS）在植物組織中大量積累，造成膜脂過氧化，膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 含量增加，導(dǎo)致葉片光合能力降低[37,38]，缺鉀條件下，光合CO2的固定嚴(yán)重下降，過量的光合電子向O2傳遞刺激ROS 的產(chǎn)生，加劇細(xì)胞膜損傷和葉綠素降解，造成光合速率顯著降低[4,39,40]。本研究中，干旱敏感品種川油36 在干旱脅迫下葉片MDA 含量顯著增加，且在LK 處理下顯著高于NK 處理，與之相反的是，川油36 葉片葉綠素含量在LK 處理下顯著低于NK 處理，表明干旱脅迫下缺鉀會(huì)加劇葉片膜脂過氧化和葉綠素降解，導(dǎo)致油菜光合作用顯著降低。RuBP 羧化酶是光合作用C3 途徑關(guān)鍵酶，干旱脅迫下RuBP 羧化酶活性顯著降低，鉀肥施用可降低干旱對RuBP 羧化酶活性的影響[41]。與前人的研究相似，本研究中干旱脅迫下RuBP 羧化酶活性顯著降低，且油研57 RuBP羧化酶活性在NK處理下顯著高于LK 處理，表明干旱缺鉀條件下油菜RuBP 羧化酶活性降低是限制油菜光合作用的原因之一。油菜作為典型的C3 植物，在葉片和角果中檢測到C4 途徑關(guān)鍵酶PEPC[42,43]。在干旱脅迫下RuBP 羧化酶活性降低，PEPC 酶活性顯著增加，并可部分替代RuBP 羧化酶功能[44,45]。C3 作物C4 化改造是提高作物光合作用的重要途徑之一，干旱脅迫下通過PEPC 過表達(dá)可增強(qiáng)水稻光系統(tǒng)的熱耗散能力，從而提高耐強(qiáng)光能力[46]。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK 相比，NK處理下兩個(gè)品種PEPC 酶活性增加。與NK 處理相比，LK處理下兩個(gè)品種PEPC活性顯著降低，表明干旱脅迫下缺鉀會(huì)抑制PEPC 酶活性。干旱脅迫下，川油36 PEPC酶活性顯著提高，在NK處理下顯著高于LK 處理，然而RuBP 羧化酶活性在NK 處理下顯著低于LK 處理，由此推測干旱脅迫下提高鉀肥水平會(huì)激發(fā)川油36 的C4 途徑，但該機(jī)理需進(jìn)一步明確。
3.3 干旱缺鉀抑制油菜葉片PSI和PSII活性
葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)是反映植物對光能的吸收、轉(zhuǎn)化、傳遞、分配情況的靈敏探針，當(dāng)發(fā)生脅迫時(shí)，PSII反應(yīng)中心會(huì)造成損傷，使光合電子傳遞和PSII的光合作用活力受到抑制，光合受阻，光合速率下降[47]。Fv/Fm 是PSII 最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，代表光合機(jī)構(gòu)把吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的最大效率。在非脅迫條件下，該參數(shù)的變化極小，常用該參數(shù)的下降來反應(yīng)光抑制的程度。本試驗(yàn)中，干旱脅迫導(dǎo)致Fv/Fm 顯著降低，且川油36 在LK 處理下的Fv/Fm顯著低于NK處理，表明干旱導(dǎo)致油菜光抑制，且缺鉀條件下光抑制的程度更高。Y(NPQ)反應(yīng)的是通過熱耗散途徑將過剩的激發(fā)能無損傷地耗散掉，這是保護(hù)PSII 免受損傷的重要途徑之一[48]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫下Y(NPQ)均有不同程度提高，且在NK 處理下Y(NPQ)增加幅度更大，表明干旱脅迫下油菜通過增加熱耗散將多余的激發(fā)能消耗掉以減少對葉片的損傷，且與缺鉀條件相比，維持正常鉀水平增強(qiáng)油菜熱耗散能力。非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NO)反應(yīng)既不能用于光化學(xué)反應(yīng)，也不能通過天線耗散過剩的激發(fā)能[49]。由于低鉀條件下，通過熱耗散消耗多余激發(fā)能的能力減弱，多余的激發(fā)能無法通過熱耗散全部耗散掉，從而有LK處理下Y(NO)顯著高于NK 處理。在干旱脅迫下，植物PSII 的活性降低，激發(fā)能上升并引發(fā)能量過剩，導(dǎo)致自由基在體內(nèi)大量積累，造成膜脂過氧化作用加劇[37,38]。許多研究表明，提高植物鉀營養(yǎng)水平可極大的減少NAD(P)H 氧化酶的活性并維持光合電子傳遞，從而降低激發(fā)能過剩對組織造成的傷害[4]。與NK 處理相比，LK 處理下油菜組織中鉀含量顯著降低，且干旱敏感品種川油36組織中鉀含量顯著低于油研57[23]。與之相反的是，LK 處理下川油36 葉片中MDA 含量在顯著增加，且顯著高于油研57。因此，推測干旱脅迫下缺鉀會(huì)導(dǎo)致葉片熱耗散能力減弱而不足以清除大量過剩的光能，導(dǎo)致PSII 活性下降并加劇葉片膜脂過氧化，最終造成油菜光合作用降低。
P700最大氧化狀態(tài)可以反映有活性的PSI反應(yīng)中心的含量，是衡量PSI 是否受逆境脅迫損傷的重要指標(biāo)[50]。干旱脅迫下，兩個(gè)品種的暗下P700 的最大變化值（Pm）和光下P700 的最大變化值（Pm′）均顯著降低，在缺鉀條件下Pm 和Pm′的下降更明顯，表明干旱脅迫導(dǎo)致PSI失活，且缺鉀條件下PSI失活會(huì)更加嚴(yán)重。干旱脅迫下，PSI 供體側(cè)限制引起的非光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(ND)增加，且LK 處理下增加的幅度低于NK，與之相反的是LK 處理下PSI 受體側(cè)限制引起的非光化學(xué)量子產(chǎn)量（Y(NA)）顯著高于NK 處理。PSI 受體側(cè)過度還原是羥基自由基產(chǎn)生的先決條件[51]，Y(NA)表示PSI 受體側(cè)處于還原態(tài)的電子載體難以被飽和脈沖光氧化的比例，可以作為PSI光抑制的指標(biāo)[52]。以上結(jié)果表明，干旱缺鉀條件下PSI受體側(cè)過度還原，導(dǎo)致油菜PSI受到光抑制。
綜上，通過內(nèi)源激素調(diào)節(jié)生長在植物響應(yīng)逆境脅迫中發(fā)揮著重要作用[11,26]，干旱脅迫下，缺鉀會(huì)影響油菜內(nèi)源激素水平，導(dǎo)致生長促進(jìn)類激素IAA、CTK 和BR 含量降低，脅迫應(yīng)激激素ABA 含量增加[27]，從而抑制油菜生長；同時(shí)，干旱缺鉀引起膜脂過氧化、葉綠素降解、RuBP 羧化酶活性降低、PSI 和PSII 抑制等非氣孔限制因素增加[36]，導(dǎo)致生長物質(zhì)來源的光合作用降低[12]，從而限制油菜生長。
4 結(jié)論
干旱脅迫下，缺鉀會(huì)激發(fā)ABA 的積累，抑制IAA、CTK 和BR 的合成，抑制油菜生長。干旱缺鉀條件下，RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性顯著降低，同時(shí)PSI受體側(cè)過度還原抑制PSI活性，且PSII調(diào)節(jié)性能量耗散減弱，非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量增加，造成PSII 活性下降，并加劇葉片膜脂過氧化和葉綠素降解，導(dǎo)致油菜光合作用降低并限制油菜生長。
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朱波，徐綺雯，馬淑敏，劉幫艷，段美春，王龍昌*
（1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶，400716；2.重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，重慶，401331）
鉀（K）是植物組織中含量最豐富的陽離子，約占植物干重的2%～10%[1,2]。鉀廣泛參與植物生理過程，如酶的激活、滲透調(diào)節(jié)、離子平衡、物質(zhì)運(yùn)輸、蛋白質(zhì)合成等，并在植物應(yīng)對干旱等非生物脅迫中具有重要作用[3]。許多研究表明植物遭受干旱脅迫時(shí)對鉀的需求增加[4]，增施鉀肥可緩解干旱對植物生長影響[5]。增施鉀肥緩解干旱的主要途徑包括：提升滲透調(diào)節(jié)能力并維持細(xì)胞膨壓[6]；提高葉片氣孔開閉靈敏度[7]；減少活性氧的積累[4]；降低細(xì)胞膜透水性，提高水分利用效率[8,9]；提高木質(zhì)部導(dǎo)水能力并維持植株體內(nèi)水分長距離運(yùn)輸[10]。植物激素是植物體內(nèi)廣泛存在的調(diào)節(jié)自身生理代謝的活性物質(zhì),主要包括生長激素（IAA）、細(xì)胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA）、脫落酸（ABA）、乙烯、油菜素內(nèi)酯（BR）等，在植物響應(yīng)逆境脅迫中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[11]。干旱脅迫下，通常植物體內(nèi)IAA、GA 和CTK 含量降低，而ABA 和乙烯含量升高，從而調(diào)控生理生化過程以及同化產(chǎn)物的分配以適應(yīng)干旱[12]。ABA是植物響應(yīng)干旱脅迫最重要的信號調(diào)節(jié)物質(zhì)，干旱脅迫下植物合成大量ABA 調(diào)節(jié)葉片氣孔關(guān)閉以減少水分散失[12]，同時(shí)ABA 的大量合成會(huì)加劇葉片發(fā)育性衰老和應(yīng)激性衰老[13]。Hosseini 等[14]研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下大麥通過維持葉片高鉀濃度可促進(jìn)ABA 的降解，從而延緩葉片衰老。涂冰潔等[15]發(fā)現(xiàn)缺鉀會(huì)導(dǎo)致大豆葉片中ABA 含量顯著增加。IAA 和CTK 可分別促進(jìn)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)分裂，從而促進(jìn)植物生長[16]，干旱脅迫下增施鉀肥可促進(jìn)甘薯塊根和葉片IAA、GA 和CTK 含量顯著增加，進(jìn)而促進(jìn)塊根淀粉的積累[17]。姜仲禹等[18]研究發(fā)現(xiàn)，通過增施鉀肥可降低甘薯根系IAA 氧化酶的活性，從而促進(jìn)IAA 含量的提高。光合作用是植物生長和干物質(zhì)積累的主要來源，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致葉片氣孔關(guān)閉，RuBP 羧化酶等光合酶活性降低，并抑制光化學(xué)反應(yīng)[12]。植物光合機(jī)構(gòu)由光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII）構(gòu)成，其中PSII 被認(rèn)為是脅迫條件下發(fā)生光抑制的原初部位，與之相比，PSI相對穩(wěn)定[19]。前人研究發(fā)現(xiàn)，逆境脅迫下提高作物組織內(nèi)鉀素水平可維持光化學(xué)電子傳遞[4]，顯著提高油菜葉片PSII 的活性[20]，然而缺鉀會(huì)引起PSII 供體側(cè)受到抑制并導(dǎo)致PSII 光抑制[21]。油菜（Brɑssicɑ nɑpusL.）是我國最主要的油料作物，也是重要的飼料蛋白來源，2019 年油菜的播種面積達(dá)到658.3 萬公頃，僅次于水稻、玉米、小麥和大豆（國家統(tǒng)計(jì)局）。由于季節(jié)性干旱頻發(fā)，嚴(yán)重制約我國油菜生產(chǎn)[22]。盡管鉀在作物抗旱機(jī)理上已有探究，但鉀對油菜抗旱機(jī)理尤其在激素和葉綠素?zé)晒馑缴系难芯枯^少。本研究通過PEG6000 模擬干旱試驗(yàn)，重點(diǎn)探討干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜激素調(diào)控、光合作用、葉綠素?zé)晒獾挠绊?，旨在揭示鉀在油菜抗旱生理上的作用，為油菜抗旱栽培提供理論依?jù)。
1 材料與方法
1.1 材料
抗旱品種油研57 和干旱敏感品種川油36[23]均為甘藍(lán)型油菜品種。試驗(yàn)于西南大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場進(jìn)行。
1.2 方法
將油菜種子置于石英砂中育苗，10 d 后將長勢一致的苗移至直徑120 mm、高110 mm 連蓋塑料黑桶中進(jìn)行水培，每個(gè)蓋子上有5 個(gè)孔，每孔移苗1株，用海綿固定，并置于避雨溫室中。采用1/2 Hogland 營養(yǎng)液，含有1.0 mmol/L K2SO4，2.5 mmol/L Ca(NO3)2，0.25 mmol/L Ca(H2PO4)2，1.0 mmol/L MgSO4，20μmol/L FeSO4，0.3μmol/L CuSO4，0.8μmol/L ZnSO4，5μmol/L MnCl，50μmol/L H3BO3，0.1μmol/L H2MoO4，用H2SO4或Ca(OH)2將pH 調(diào)至6.0，營養(yǎng)液每5 d 更換一次。培養(yǎng)20 d 后，設(shè)置缺鉀（0.01 mmol/L K2SO4）和正常鉀肥（1.0 mmol/L K2SO4）兩個(gè)梯度（除K 外，其它營養(yǎng)元素不變），并添加7%質(zhì)量濃度PEG6000 模擬干旱，分別記為LK 和NK 處理，另設(shè)置1.0 mmol/L K2SO4營養(yǎng)液，不添加PEG6000做對照，記為CK。每個(gè)處理重復(fù)4 次。處理8 d 后，取從上往下第二片完全展開葉裝在自封袋中，迅速置于液氮中猝滅并于-80℃冰箱保存，用于激素、葉綠素、光合酶和MDA含量的測定。
1.3 測定指標(biāo)及方法
1.3.1 生物量 干旱處理8 d 后，將油菜整株取出，2 株為一個(gè)重復(fù)，用去離子水洗凈置于紙袋中，120℃殺青30 min，80℃烘干至恒重。
1.3.2 內(nèi)源激素和光合酶 IAA、CTK、GA、ABA、RuBP 羧化酶和PEPC 酶的測定采用酶聯(lián)免疫法（ELISA），準(zhǔn)確稱取0.2 g 葉片，加入1.6 mL 0.1 mol/L pH7.4 的磷酸緩沖液磨樣至勻漿，8000×g離心10 min，取上清液用于激素和酶活性的測定。測定試劑盒購自江蘇博深生物科技有限公司，測定方法參照使用說明[24]。
1.3.3 葉綠素 準(zhǔn)確稱取0.05 g 葉片于2 mL 離心管中，加入丙酮∶乙醇∶水（4.5∶4.5∶1）浸提液1.6 mL，60 Hz 磨樣2 min，8000×g離心10 min，取上清液在645 nm 和663 nm 下測定吸光度值。葉綠素含量= (20.29A645+8.05A663)×V/m×1000，其中V為浸提液體積，m為樣品重量。
1.3.4 光合作用 干旱處理第7 d，在上午9:00-11:00用LI6400便攜式光合儀器（Li-Cor公司，美國）測定油菜心葉往下第二片完全展開葉凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。測定參數(shù)設(shè)定為：紅藍(lán)光源，光強(qiáng)為1000μmol·m-2·s-1，CO2濃度為430μmol/mol，流速為500μmol/s，樣品室溫度為28℃。
1.3.5 葉綠素?zé)晒鈪?shù)及P700 采用Dual-PAM-100 熒光儀（Walz，Germany），同步測定油菜心葉往下第二片完全展開葉光系統(tǒng)II（PSII）和光系統(tǒng)I（PSI）。參考肖飛等[25]方法并略有改動(dòng)，測定前暗適應(yīng)0.5 h，測定中避免其他光源的干擾，首先打開測量光測定最小熒光產(chǎn)量（Fo），然后施加飽和脈沖光得到最大熒光產(chǎn)量（Fm）和最大P700 信號（Pm），隨后打開光化光（Al），強(qiáng)度為1030μmol photons·m-2·s-1，待熒光信號穩(wěn)定后（4～5 min），打開飽和脈沖光（SP），強(qiáng)度為20 000 μmol photons·m-2·s-1，時(shí)間為300 ms，測定任意時(shí)間的實(shí)際熒光產(chǎn)量（Fs），過30 s關(guān)掉作用光（AL），測定光適應(yīng)狀態(tài)下的最大熒光產(chǎn)量（Fm′）和光下最大P700 信號（Pm′）。按Dual-PAM-100 使用說明，分析PSII最大光有效光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(II)]、調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NPQ)]、非調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NO)]和PSI 有效光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(I)]、PSI 供體側(cè)限制[Y(ND)]、PSI 受體側(cè)限制[Y(NA)]等，計(jì)算公式為：
Y(II)=(Fm′-Fs)/Fm′
Y(NO)=Fs/Fm
Y(NPQ)=1-Y(II)-Y(NO)
Y(NA)=(Pm-Pm′)/Pm
Y(ND)=1-P700red
Y(I)=1-Y(ND)-Y(NA)
1.4 統(tǒng)計(jì)分析
采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖，在SAS V8 中采用最小顯著差異法（LSD，P＜0.05）對不同水分和鉀肥處理進(jìn)行多重比較。
2 結(jié)果與分析
2.1 干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜生長和內(nèi)源激素的影響
由圖1 可知，經(jīng)過8 d 的干旱處理，油菜生長受到嚴(yán)重抑制，葉片表現(xiàn)出明顯的萎蔫癥狀。與NK處理相比，LK處理下，葉片萎蔫癥狀更嚴(yán)重，且油菜子葉黃化、早衰加劇。油研57 受干旱脅迫影響較小，且子葉黃化、早衰癥狀較川油36更輕。與CK 相比，LK和NK處理下川油36和油研57的干物質(zhì)積累大幅降低（表1）。不同鉀肥水平對干旱脅迫下油菜生物量影響顯著（P＜0.05），與NK 處理相比，LK 處理下川油36 和油研57 的干物重分別減少了16.5%和14.4%。干旱脅迫下油菜品種間干物質(zhì)積累間表現(xiàn)出較大差異，在NK 和LK處理?xiàng)l件下油研57的干物重分別較川油36 高出17.3%和20.0%。干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜內(nèi)源激素影響顯著。干旱脅迫下，川油36 和油研57 葉片ABA 含量均升高，表現(xiàn)出LK＞NK＞CK 的趨勢，且LK 與NK 和CK差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。川油36 葉片中GA 含量呈現(xiàn)LK＞NK＞CK 的趨勢，且LK 處理下GA 含量顯著高于CK。與CK 相比，油研57 葉片中GA 含量在LK 和NK 處理下均升高，但各處理間差異不顯著。川油36葉片中GA含量在LK和NK處理下均高于油研57，且在LK 處理下差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。干旱脅迫下，兩個(gè)品種葉片中IAA含量均顯著降低。與NK 處理相比，兩個(gè)品種生長素含量LK處理下均降低，且在川油36 中降幅最大，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。此外，LK 處理下，油研57 的生長素含量顯著高于川油36。與此相似的是，川油36葉片中CTK 含量呈現(xiàn)CK＞NK＞LK 的趨勢，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。NK 處理下油研57 葉片CTK 含量與CK 相比差異不顯著，然而LK 處理下細(xì)胞CTK 含量顯著降低。值得注意的是，油研57 在NK 和LK 處理下CTK 含量均顯著高于川油36。不同鉀肥水平對BR 含量影響顯著，兩個(gè)品種葉片中BR 含量在不同水分和鉀肥水平下呈現(xiàn)出CK＞NK＞LK 的趨勢，且在油研57 中LK 與NK 間的差異達(dá)顯著水平。油研57 BR含量在LK和NK處理下均高于川油36。
圖1 不同水分和鉀肥條件下油菜生長的表型差異Fig.1 Phenotypic difference of rapeseed under different water and potassium level
表1 干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜生長和內(nèi)源激素的影響Table 1 Effect of different potassium level on rapeseed growth and hormone under drought stress
2.2 干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜光合特征的影響
2.2.1 對光合作用的影響 由圖2A可知，與CK相比，川油36的凈光合速率在LK 處理下顯著降低，在NK 處理下差異不顯著。干旱脅迫下，油研57 的凈光合速率顯著降低，且在NK 處理下顯著高于LK 處理。在NK 處理下，川油36 凈光合速率顯著高于油研57，然而，在LK 處理下，油研57 凈光合速率顯著高于川油36。干旱脅迫下兩個(gè)品種葉片氣孔導(dǎo)度均顯著降低，且LK 處理下氣孔導(dǎo)度顯著低于NK 處理。LK 處理下，油研57 葉片氣孔導(dǎo)度顯著高于川油36（圖2B）。葉片的胞間CO2濃度呈現(xiàn)CK＞NK＞LK 的趨勢，在川油36 中LK 處理和NK 處理差異達(dá)顯著水平（圖2C）。川油36葉片蒸騰速率呈現(xiàn)NK＞CK＞LK 的趨勢，且各處理間差異顯著。干旱脅迫下，油研57 蒸騰速率顯著降低，LK 處理和NK 處理間差異不顯著（圖2D）。
圖2 干旱脅迫下不同鉀肥水平對光合作用的影響Fig.2 Effects of different potassium level on photosynthesis under drought stress
2.2.2 對葉片MDA 含量、葉綠素含量及光合酶活性的影響 干旱脅迫下川油36 葉片中MDA 含量大幅增加，且在LK 處理下顯著高于NK 處理。油研57葉片MDA 含量在LK 和NK 處理下差異不顯著，且均低于川油36，在LK 處理?xiàng)l件下差異達(dá)顯著水平（圖3A）。干旱脅迫導(dǎo)致油菜葉綠素含量顯著降低，在川油36 葉綠素含量呈現(xiàn)CK＞NK＞LK 的趨勢，各處理間差異顯著（P＜0.05）。油研57 葉綠素含量受干旱脅迫的影響較小，在LK 和NK 處理下差異不顯著，且油研57 各處理?xiàng)l件下葉綠素含量均顯著高于川油36（圖3B）。RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性在不同鉀肥水平和品種間表現(xiàn)出較大的差異。干旱脅迫下，川油36 葉片RuBP 羧化酶活性顯著降低，在LK 處理下顯著高于NK 處理。與之相反的是，川油36 在NK 處理下PEPC 酶活性最高，顯著高于CK 和LK 處理。油研57 葉片RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性主要受鉀素水平的影響。與CK 相比，油研57 的RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性在NK 處理下差異不顯著。然而，與NK 處理相比，LK 處理下油研57 葉片RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性顯著降低（圖3C、D）。
圖3 干旱脅迫下不同鉀肥水平對MDA含量（A）、葉綠素含量（B）、RuBP羧化酶（C）和PEPC酶（D）的影響Fig.3 Effect of different water and potassium level on content of MDA (A),Chlorophyll(B),enzyme activity of RuBP carboxylase(C)and PEPC(D)
2.3 干旱脅迫下不同鉀肥水平對油菜葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>
2.3.1 對PSII 的影響 由圖4A 可知，干旱脅迫下PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）顯著降低，且油研57 的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量顯著高于川油36。不同鉀肥水平對最大光化學(xué)量子產(chǎn)量影響顯著（P＜0.05），與NK 相比，川油36 的Fv/Fm 在LK 處理下顯著降低。干旱脅迫導(dǎo)致光下最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv′/Fm′）顯著降低，兩個(gè)品種Fv′/Fm′在LK 處理下均高于NK 處理，在川油36 中差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。干旱脅迫導(dǎo)致有效光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(II)]顯著降低，LK 和NK 處理間差異不顯著。川油57 的Y(II)在LK 和NK 處理上均高于川油36，且在NK 處理下差異達(dá)顯著水平（圖4C）。與此相似的是，干旱脅迫導(dǎo)致PSII 電子傳遞速率顯著降低，且不同鉀肥水平間差異不顯著。油研57 的PSII 電子傳遞速率[ETR(II)]在LK 和NK 處理上均高于川油36，且在NK處理下差異達(dá)顯著水平（圖4D）。LK 處理下，兩個(gè)品種非調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NO)]均顯著高于NK 處理。與之相反的是，干旱脅迫下調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NPQ)]均升高，且NK 處理下兩個(gè)品種的Y(NPQ)均高于LK 處理，在川油36 中差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。
圖4 干旱脅迫下不同鉀肥水平對PSII的影響Fig.4 Effects of different potassium level on PSII under drought stress
2.3.2 對PSI 的影響 由圖5 可知，干旱脅迫下P700 最大變化值（Pm）顯著降低。川油36 的Pm 在LK 處理下顯著高于NK 處理，與之相反的是油研57的Pm 在LK 處理下顯著低于NK 處理。此外，油研57 的Pm 在NK 處理下顯著高于川油36，而在LK 處理下二者差異不顯著。光下P700最大變化值（Pm′）在干旱脅迫下顯著降低，NK 處理下兩個(gè)品種Pm′均顯著高于LK 處理，且在油研57中差異達(dá)顯著水平。PSI 系統(tǒng)光化學(xué)量子產(chǎn)量[Y(I)]在干旱脅迫下顯著降低，呈現(xiàn)NK＞LK 的趨勢。油研57 的Y(I)在LK 和NK 處理下均顯著高于川油36。PSI 電子傳遞速率[ETR(I)]在干旱脅迫下顯著降低，呈現(xiàn)NK＞LK 的趨勢。油研57 的ETR(I)在LK 和NK 處理下均顯著高于川油36。干旱脅迫導(dǎo)致PSI供體側(cè)限制[Y(ND)]顯著升高，且表現(xiàn)出NK＞LK 的趨勢。川油36 的Y(ND)升高幅度較大，在LK 和NK 處理下均顯著高于油研57。LK 處理下，兩個(gè)品種PSI 系統(tǒng)受體側(cè)限制[Y(NA)]均顯著高于NK 處理，與CK 相比，Y(NA)在LK處理下增加，而在NK處理下顯著降低。
圖5 干旱脅迫下不同鉀肥水平對PSI的影響Fig.5 Effects of different potassium level on PSI
3 討論
3.1 干旱缺鉀降低油菜生長促進(jìn)類激素水平
PEG6000 模擬干旱脅迫下，油菜生長受到嚴(yán)重抑制，不同鉀肥水平對油菜生長的影響顯著，兩個(gè)油菜品種干物重在LK 處理下較NK 處理降低15.5%，表明干旱缺鉀條件下油菜生長受到進(jìn)一步抑制。干旱脅迫下兩個(gè)品種生長表現(xiàn)出顯著差異，抗旱品種油研57 在NK 和LK 處理下的生物量較川油36 分別高17.3%和20.0%。逆境脅迫下植物通過內(nèi)源激素調(diào)節(jié)生長、發(fā)育、養(yǎng)分分配和源庫轉(zhuǎn)換等以適應(yīng)環(huán)境變化[26]，通?？梢詫⒅参锛に胤譃樯L促進(jìn)類激素（包含IAA、GA、CTK 和BR）和逆境應(yīng)激應(yīng)激激素（ABA、茉莉酸、水楊酸和乙烯）兩大類[27]。ABA是植物響應(yīng)干旱等逆境脅迫重要的信號調(diào)節(jié)物質(zhì)[12]，干旱脅迫下大量ABA 的合成不僅會(huì)引起葉片發(fā)育性衰老而且會(huì)引起應(yīng)激性衰老[13]。Hosseini等[14]研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下大麥通過維持葉片高鉀濃度可促進(jìn)ABA的降解并減少ABA積累，從而延緩葉片衰老。涂冰潔等[15]也發(fā)現(xiàn)缺鉀條件下大豆葉片中ABA 含量顯著增加。本研究中，干旱脅迫下兩個(gè)油菜品種葉片中ABA 含量均增加，且在LK 處理下顯著高于NK 處理，表明缺鉀條件下，干旱誘導(dǎo)合成更多ABA 并加劇油菜葉片衰老。Jogawat 等[28]認(rèn)為GA 對植物抗旱性具有負(fù)面作用。Nir等[29]發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下抑制GA 的活性可減少番茄葉片氣孔數(shù)量和孔隙從而減少水分散失，Omena-Garcia 等[30]研究發(fā)現(xiàn)缺少GA 的植株通過大量合成氨基酸參與滲透調(diào)節(jié)并促進(jìn)代謝物向根系分配提升組織保水能力。GA 的代謝調(diào)控還與鉀相關(guān)，姜仲禹等[18]研究發(fā)現(xiàn)缺鉀條件下甘薯根系赤霉素含量顯著增加。本研究川油36 葉片中GA 含量呈LK＞NK＞CK 的趨勢，且LK 和CK 間差異達(dá)顯著水平，表明干旱缺鉀條件下油菜對GA 的代謝調(diào)節(jié)能力降低。IAA 是生長促進(jìn)物質(zhì)，在植物細(xì)胞分裂伸長以及光合同化物運(yùn)輸與積累等方面起著重要作用，干旱等逆境脅迫導(dǎo)致IAA 含量下降，增施鉀肥可促進(jìn)IAA 的合成[31]。本研究中，干旱脅迫導(dǎo)致油菜葉片IAA含量顯著降低，與正常鉀水平相比，缺鉀條件下IAA含量顯著降低，且干旱敏感品種川油36 的IAA 含量下降幅度最大，表明干旱脅迫下，IAA 合成減少導(dǎo)致油菜生長受到抑制，缺鉀會(huì)進(jìn)一步降低IAA激素的合成，影響油菜生長。CTK 具有促進(jìn)細(xì)胞生長，延緩蛋白質(zhì)和葉綠素降解及延遲衰老的作用，缺鉀條件下細(xì)胞分裂素的含量會(huì)顯著降低[32]。干旱脅迫下細(xì)胞分裂素含量顯著降低，與正常鉀肥相比，缺鉀條件下兩個(gè)品種CTK 含量均顯著降低，表明干旱脅迫下，尤其因缺鉀引起細(xì)胞分裂素含量降低，導(dǎo)致蛋白質(zhì)和葉綠素降解加劇，葉片早衰。此外，油研57 細(xì)胞分裂素含量在各處理均顯著高于川油36，表明抗旱品種油研57 具有較強(qiáng)的抗衰老能力。油菜素內(nèi)酯是公認(rèn)的第六大類植物激素，廣泛參與蛋白質(zhì)的合成和提高酶活性等生理過程，可增強(qiáng)植物對生物和非生物脅迫的抵抗能力[33]。本研究中，干旱脅迫導(dǎo)致油菜素內(nèi)酯含量顯著降低，且在缺鉀條件下下降幅度更加明顯。表明，干旱脅迫下缺鉀會(huì)導(dǎo)致油菜素內(nèi)酯的合成受阻進(jìn)而影響各生理過程，降低油菜抗旱性。綜上，干旱脅迫導(dǎo)致油菜ABA 含量顯著增加，而促進(jìn)生長類激素IAA、CTK 和BR 含量顯著降低，缺鉀條件下會(huì)激發(fā)ABA 的合成，并進(jìn)一步限制IAA、CTK和BR 的合成?？购灯贩N油研57在干旱條件下保持了較高的IAA、CTK、BR，在激素水平上保持較強(qiáng)的調(diào)控能力。
3.2 干旱缺鉀降低油菜葉片光合作用能力
前人的研究表明，干旱導(dǎo)致作物光合作用降低，充足的鉀肥供應(yīng)可促進(jìn)作物在干旱脅迫下凈光合速率的提高[34,35]。本研究中，干旱脅迫導(dǎo)致油菜凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均顯著降低。與NK 處理相比，兩個(gè)品種油菜在LK 處理下凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均大幅降低，表明充足的鉀肥供應(yīng)可減少干旱脅迫對油菜光合作用的影響。導(dǎo)致光合作用降低的因子分為氣孔限制和非氣孔限制兩方面因素，非氣孔限制包括葉綠體結(jié)構(gòu)破壞、葉綠素含量降低、光系統(tǒng)損傷、RuBP 羧化酶等光合酶活性降低以及活性氧對代謝功能的破壞等[36]。本試驗(yàn)中，盡管氣孔導(dǎo)度在干旱缺鉀條件下急劇下降，然而，葉片胞間CO2濃度在各處理間變化較小，表明凈光合速率的降低并非由氣孔因素引起，而是由非氣孔限制所致。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致活性氧系統(tǒng)（ROS）在植物組織中大量積累，造成膜脂過氧化，膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 含量增加，導(dǎo)致葉片光合能力降低[37,38]，缺鉀條件下，光合CO2的固定嚴(yán)重下降，過量的光合電子向O2傳遞刺激ROS 的產(chǎn)生，加劇細(xì)胞膜損傷和葉綠素降解，造成光合速率顯著降低[4,39,40]。本研究中，干旱敏感品種川油36 在干旱脅迫下葉片MDA 含量顯著增加，且在LK 處理下顯著高于NK 處理，與之相反的是，川油36 葉片葉綠素含量在LK 處理下顯著低于NK 處理，表明干旱脅迫下缺鉀會(huì)加劇葉片膜脂過氧化和葉綠素降解，導(dǎo)致油菜光合作用顯著降低。RuBP 羧化酶是光合作用C3 途徑關(guān)鍵酶，干旱脅迫下RuBP 羧化酶活性顯著降低，鉀肥施用可降低干旱對RuBP 羧化酶活性的影響[41]。與前人的研究相似，本研究中干旱脅迫下RuBP 羧化酶活性顯著降低，且油研57 RuBP羧化酶活性在NK處理下顯著高于LK 處理，表明干旱缺鉀條件下油菜RuBP 羧化酶活性降低是限制油菜光合作用的原因之一。油菜作為典型的C3 植物，在葉片和角果中檢測到C4 途徑關(guān)鍵酶PEPC[42,43]。在干旱脅迫下RuBP 羧化酶活性降低，PEPC 酶活性顯著增加，并可部分替代RuBP 羧化酶功能[44,45]。C3 作物C4 化改造是提高作物光合作用的重要途徑之一，干旱脅迫下通過PEPC 過表達(dá)可增強(qiáng)水稻光系統(tǒng)的熱耗散能力，從而提高耐強(qiáng)光能力[46]。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK 相比，NK處理下兩個(gè)品種PEPC 酶活性增加。與NK 處理相比，LK處理下兩個(gè)品種PEPC活性顯著降低，表明干旱脅迫下缺鉀會(huì)抑制PEPC 酶活性。干旱脅迫下，川油36 PEPC酶活性顯著提高，在NK處理下顯著高于LK 處理，然而RuBP 羧化酶活性在NK 處理下顯著低于LK 處理，由此推測干旱脅迫下提高鉀肥水平會(huì)激發(fā)川油36 的C4 途徑，但該機(jī)理需進(jìn)一步明確。
3.3 干旱缺鉀抑制油菜葉片PSI和PSII活性
葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)是反映植物對光能的吸收、轉(zhuǎn)化、傳遞、分配情況的靈敏探針，當(dāng)發(fā)生脅迫時(shí)，PSII反應(yīng)中心會(huì)造成損傷，使光合電子傳遞和PSII的光合作用活力受到抑制，光合受阻，光合速率下降[47]。Fv/Fm 是PSII 最大光化學(xué)量子產(chǎn)量，代表光合機(jī)構(gòu)把吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的最大效率。在非脅迫條件下，該參數(shù)的變化極小，常用該參數(shù)的下降來反應(yīng)光抑制的程度。本試驗(yàn)中，干旱脅迫導(dǎo)致Fv/Fm 顯著降低，且川油36 在LK 處理下的Fv/Fm顯著低于NK處理，表明干旱導(dǎo)致油菜光抑制，且缺鉀條件下光抑制的程度更高。Y(NPQ)反應(yīng)的是通過熱耗散途徑將過剩的激發(fā)能無損傷地耗散掉，這是保護(hù)PSII 免受損傷的重要途徑之一[48]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫下Y(NPQ)均有不同程度提高，且在NK 處理下Y(NPQ)增加幅度更大，表明干旱脅迫下油菜通過增加熱耗散將多余的激發(fā)能消耗掉以減少對葉片的損傷，且與缺鉀條件相比，維持正常鉀水平增強(qiáng)油菜熱耗散能力。非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NO)反應(yīng)既不能用于光化學(xué)反應(yīng)，也不能通過天線耗散過剩的激發(fā)能[49]。由于低鉀條件下，通過熱耗散消耗多余激發(fā)能的能力減弱，多余的激發(fā)能無法通過熱耗散全部耗散掉，從而有LK處理下Y(NO)顯著高于NK 處理。在干旱脅迫下，植物PSII 的活性降低，激發(fā)能上升并引發(fā)能量過剩，導(dǎo)致自由基在體內(nèi)大量積累，造成膜脂過氧化作用加劇[37,38]。許多研究表明，提高植物鉀營養(yǎng)水平可極大的減少NAD(P)H 氧化酶的活性并維持光合電子傳遞，從而降低激發(fā)能過剩對組織造成的傷害[4]。與NK 處理相比，LK 處理下油菜組織中鉀含量顯著降低，且干旱敏感品種川油36組織中鉀含量顯著低于油研57[23]。與之相反的是，LK 處理下川油36 葉片中MDA 含量在顯著增加，且顯著高于油研57。因此，推測干旱脅迫下缺鉀會(huì)導(dǎo)致葉片熱耗散能力減弱而不足以清除大量過剩的光能，導(dǎo)致PSII 活性下降并加劇葉片膜脂過氧化，最終造成油菜光合作用降低。
P700最大氧化狀態(tài)可以反映有活性的PSI反應(yīng)中心的含量，是衡量PSI 是否受逆境脅迫損傷的重要指標(biāo)[50]。干旱脅迫下，兩個(gè)品種的暗下P700 的最大變化值（Pm）和光下P700 的最大變化值（Pm′）均顯著降低，在缺鉀條件下Pm 和Pm′的下降更明顯，表明干旱脅迫導(dǎo)致PSI失活，且缺鉀條件下PSI失活會(huì)更加嚴(yán)重。干旱脅迫下，PSI 供體側(cè)限制引起的非光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(ND)增加，且LK 處理下增加的幅度低于NK，與之相反的是LK 處理下PSI 受體側(cè)限制引起的非光化學(xué)量子產(chǎn)量（Y(NA)）顯著高于NK 處理。PSI 受體側(cè)過度還原是羥基自由基產(chǎn)生的先決條件[51]，Y(NA)表示PSI 受體側(cè)處于還原態(tài)的電子載體難以被飽和脈沖光氧化的比例，可以作為PSI光抑制的指標(biāo)[52]。以上結(jié)果表明，干旱缺鉀條件下PSI受體側(cè)過度還原，導(dǎo)致油菜PSI受到光抑制。
綜上，通過內(nèi)源激素調(diào)節(jié)生長在植物響應(yīng)逆境脅迫中發(fā)揮著重要作用[11,26]，干旱脅迫下，缺鉀會(huì)影響油菜內(nèi)源激素水平，導(dǎo)致生長促進(jìn)類激素IAA、CTK 和BR 含量降低，脅迫應(yīng)激激素ABA 含量增加[27]，從而抑制油菜生長；同時(shí)，干旱缺鉀引起膜脂過氧化、葉綠素降解、RuBP 羧化酶活性降低、PSI 和PSII 抑制等非氣孔限制因素增加[36]，導(dǎo)致生長物質(zhì)來源的光合作用降低[12]，從而限制油菜生長。
4 結(jié)論
干旱脅迫下，缺鉀會(huì)激發(fā)ABA 的積累，抑制IAA、CTK 和BR 的合成，抑制油菜生長。干旱缺鉀條件下，RuBP 羧化酶和PEPC 酶活性顯著降低，同時(shí)PSI受體側(cè)過度還原抑制PSI活性，且PSII調(diào)節(jié)性能量耗散減弱，非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量增加，造成PSII 活性下降，并加劇葉片膜脂過氧化和葉綠素降解，導(dǎo)致油菜光合作用降低并限制油菜生長。
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